C 语言中的结构填充和打包
C 语言中的结构填充是什么?
C 语言中的结构填充是由 CPU 架构 处理的过程。结构填充会在结构中添加一定数量的空字节，以使数据成员在内存中自然对齐。对齐要求由处理器架构而非语言本身决定。当然，对齐要求会根据数据总线大小或特定 CPU 架构的其他架构考虑而变化。
通过示例理解结构体填充
我们定义一个结构体类型，如下所示 -
struct struct1 {
char x;
int y;
char z;
};
示例 1
我们检查一下此类型变量所需的字节数 -
#include <stdio.h>
struct struct1{
char a;
char b;
int c;
};
int main(){
printf("Size: %d", sizeof(struct struct1));
return 0;
}
输出
运行此代码，将产生以下输出 -
Size:8
结果与预期相反。
考虑到 char 类型需要 1 个字节，而 int 类型需要 4 个字节，因此可能认为输出应为"1 + 1 + 4 = 6 个字节"。
然而，CPU 架构需要改变此结构。考虑到我们使用的是 32 位 CPU，它一次读取 4 个字节，这意味着 1 个字等于 4 个字节。
在一个 CPU 周期内，它访问字符"a"，然后是字符"b"，以及 int"c"的前两个字节。在第二个周期内，它访问另外两个字节。
即使我们只想读取"c"，也需要两个 CPU 周期。为此，CPU 会在存储"c"值的字节前添加两个空字节。这种机制称为填充。
这解释了我们上面得到的结果，即结构体类型的大小为 8 个字节。
示例 2
让我们更改上述结构体类型中成员的顺序，并设置"b"的类型和"c"的类型。
#include <stdio.h>
struct struct1{
char a;
int b;
char c;
};
int main(){
printf("size: %d", sizeof(struct struct1));
return 0;
}
输出
运行代码并检查其输出 −
size: 12
在第一个字的 4 个字节中，第一个字节分配给了字符"a"，后面跟着三个空字节。
构成下一个字的接下来 4 个字节用于存储 int"b"。随后，在接下来 4 个字节中，只有一个字节用于"c"。但是，结构体的大小为 12。
什么是 C 语言中的结构体打包?
另一方面，结构体打包是一种最小化填充影响的机制，从而尝试减少浪费的内存空间。我们可以使用某些指令和属性来实现打包。
通过示例理解结构打包
CPU 架构强制的填充是不可避免的，但是有一些方法可以最大限度地减少填充。可以使用 -
- 使用 #pragma pack(1) 指令
- 使用 packed 属性
使用 #pragma pack(1) 指令
#pragma pack(1) 预处理指令强制编译器忽略填充，并在内存分配过程中将结构成员首尾对齐。
示例
让我们将此指令添加到之前使用的代码顶部，并查看结果 -
#include <stdio.h>
#pragma pack(1)
struct struct1{
char a;
int b;
char c;
};
int main(){
printf("size: %d", sizeof(struct struct1));
return 0;
}
输出
运行代码并检查其输出 −
size: 6
我们可以看到，结构体填充已被避免，并减少了内存浪费。
使用 __attribute__((packed))
在 GCC 中，我们可以使用属性来指定结构体和联合类型的各种特殊属性。这些属性包括:aligned、deprecated、packed、transparent_union、unused 和 visibility。应用这些属性的语法为"__attribute__ ((...))"。
示例
在这里，我们将在结构体类型的定义中使用 packed 属性。
#include <stdio.h>
struct __attribute__((packed)) struct1{
char a;
int b;
char c;
};
int main(){
printf("size: %d", sizeof(struct struct1));
return 0;
}
输出
运行代码并检查其输出 -
size: 6
此方法还可以避免填充的影响。
